1920年毕业于东三省陆军讲武堂，先于奉系军中担任要职，“皇姑屯事件”之后，他继任为东北保安军总司令，拒绝日本人的拉拢，坚持“东北易帜”，为祖国统一和民族团结做出了贡献。后任中华民国陆海空军副司令，陆军一级上将。西安事变后遭蒋介石父子长期软禁。1990年恢复人身自由，1995年起离台侨居美国夏威夷，2001年10月14日病逝于檀香山，享年101岁。
张学良积极主张抗日，反对内战，曾同杨虎城将军一起发动震惊中外的“西安事变”，促成国共二次合作，结成抗日民族统一战线。
2009年张学良被评为100位为新中国成立作出贡献的英雄模范人物之一。
1917年在其父张作霖军中服役。1919年就读于东三省陆军讲武堂，在校内结识战术教官郭松龄，两人成为忘年之交。1920年后以炮兵科第一名毕业，初任东北军第三混成旅第二团团长，负责保卫张作霖人身安全，以及奉天维持治安，他将郭松龄一同带至奉军。
1922年第一次直奉大战爆发，张学良与郭松龄指挥的东路军奉军第三混成旅，张学良任旅长，经过霸县战斗和山海关阻击战，成为了第一次直奉大战当中，奉军惟一取胜的部队。
1924年第二次直奉大战爆发，张学良率领奉军第三军与姜登选的奉军第二军为东北军入关的主力军，经过张学良部队的猛攻，奉军突破山海关，直捣北平。直系全面溃败，全军覆没，吴佩孚成为张作霖手下，直系从此走入历史。奉系由此一战夺取了中央政权，张作霖成为了北洋军阀领导人，奉系军事实力此时达到顶点。战后，张学良升为京榆地区卫戍总司令。
1928年6月4日，张作霖在皇姑屯被日本关东军炸死，张学良就任东三省保安总司令，开始统治东北。张作霖被炸死后一星期，以“东北易帜”的果断行动，宣布服从南京国民政府，同年7月1日，张学良向国民政府发出《绝不妨碍统一电》，促使中国从形式上走向统一。后被国民政府任命为陆海空军副司令、东北边防司令长官。
1929年7月，张学良欲取消苏联在东北的特权，查封哈尔滨苏联商业机构，开始着手收回中东铁路。8月14日，斯大林命令苏联军队沿中东路一线向东北进攻，张学良领导的东北军败给苏军。张学良被迫在伯力签订议定书，恢复苏联在中东铁路的特权。
张学良在1934年2月张任豫鄂皖三省剿总副司令。1935年3月，任武昌行营主任，10月，兼任西北剿总副司令并代行总司令职权。此时，日本侵华日亟，国民政府一再妥协。中共驻共产国际代表王明在莫斯科以中共中央和中华苏维埃中央政府的名义发表《为抗日救国告全体同胞书》（简称“八一宣言”），全国要求停止内战实行抗日的呼声日益高涨。
1936年12月4日，蒋介石到西安督战。张学良与西安绥靖公署主任、第17路军总指挥杨虎城共同向蒋面谏，却遭到蒋拒谏。蒋介石令张学良、杨虎城立即进攻陕北红军，否则将其所部分别调往福建、安徽。
1936年12月9日，中国共产党组织大规模的群众游行示威，纪念“一二九”运动一周年。特务军警开枪打伤一名学生，群众非常激愤，决定到临潼直接向蒋介石请愿示威。蒋介石强令张学良制止学生运动，必要时可以向学生开枪。张学良接到命令后，赶上游行队伍，极力劝说学生回去。东北大学学生高呼“中国人不打中国人！”“东北军打回老家去，收复东北失地！”等口号。张学良向群众表示一周内以实际行动答复学生要求。
1936年12月12日，张学良与杨虎城兵谏蒋介石，共同逼蒋联共抗日，造成震惊中外的“西安事变”。
西安事变当天，张学良、杨虎城向全国发出关于救国八项主张的通电，提出：“改组南京政府，容纳各党各派，共同负责救国。停止一切内战。立即释放上海被捕的爱国领袖。释放全国一切政治犯。开放民众爱国运动。保障人民集会结社一切政治自由。确实遵行孙总理遗嘱。立即召开救国会议”的要求。
西安事变发生后，东北军、西北军内部出现主张杀蒋和放蒋的争执，但张学良、杨虎城二人都主张释放蒋介石。据杨虎城的机要秘书王菊人回忆，西安事变发生后，杨虎城曾找张学良商议释放蒋介石的四项条件：一是蒋介石之“安内攘外政策”必须改变，至少以谈话方式向全国公开声明（当时考虑由南京政府正式发表声明是办不到的）；二是改组国民党政府为抗日联合政府，应有行动表现；三是东北军、17路军的驻地和政治地位不变；四是红军问题，由以后组成的抗日联合政府解决。
张学良与杨虎城在1938年11月起被囚禁在贵州省修文县阳明洞。1941年5月张学良转囚贵阳市麒麟洞。由于和市区距离很近，不久很多贵州人都知道张学良关在麒麟洞，于是在1942年2月把张移往贵州省开阳县刘育乡囚禁。1944年春天再移贵州息烽县阳郎坝，冬天再到桐梓县天门洞小西湖。1946年4月9日蒋介石在贵阳市黔灵公园会见张学良。不久之后，张学良被押往重庆歌乐山白公馆。1946年10月被送到台湾。1947年移住井上温泉（新竹县）。 [11] 1957年10月移至高雄市西子湾。1961年秋移居台北市北投居所。张学良在台湾三地都过着软禁生活。张学良原配夫人于凤至，生三子一女，后有情妇“赵四小姐”。他后期信奉基督教，这是他早年读教会学校的早期信仰，1964年受洗。依照一夫一妻规则，蒋中正令张与于凤至离婚，和赵四小姐结婚。
1988年1月13日，蒋经国逝世。李登辉执政后，1990年起，张学良全面恢复人身自由，之后到美国探访。1993年4月，受聘为东北大学名誉校长。5月受聘为哈尔滨工业大学名誉理事长。1995年离台，侨居美国夏威夷，在那里长居。2001年10月14日14时50分（北京时间10月15日8时50分），在美国夏威夷首府檀香山史特劳比医院病逝，享年101岁。